ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРИБОР Российский патент 2006 года по МПК H01L29/93 

Изобретение относится к области полупроводниковых приборов. Прибор может быть выполнен в виде управляемого напряжением конденсатора переменной емкости. На приборе могут быть изготовлены преобразователи частоты.

Прибор наиболее близок по принципу работы варикапам (варакторам) полупроводниковым приборам, реактивностью которых можно управлять с помощью напряжения. Как известно (Зи С. Физика полупроводниковых приборов, т.1, М.: Мир, 1984, с.80-91, 260-262, 381, 384), во всех трех базовых элементах полупроводниковой электроники (p-n переходе, барьере Шоттки и структуре металл-диэлектрик-полупроводник) при определенной полярности приложенного напряжения формируется слой полупроводника, обедненный основными носителями заряда, являющийся аналогом диэлектрической прослойки в обычном конденсаторе. Толщина обедненного слоя зависит от напряжения смещения, вследствие чего дифференциальная емкость С полупроводникового прибора может управляться напряжением U.

Под транзистором обычно понимают полупроводниковый прибор, имеющий три или более выводов для подачи управляющего напряжения, предназначенный для усиления генерирования и преобразования электрических колебаний (Энциклопедический словарь, Москва, Сов. Энциклопедия, 1991 г., стр.557). Существенным недостатком существующих транзисторов, как полевых, так и биполярных транзисторов, является то, что выходная мощность обратно пропорциональна квадрату частоты, что является результатом ограничения налагаемого напряжением лавинного пробоя достаточно узкой области пространственного заряда р-n перехода и предельной скоростью носителей заряда (Зи С. Физика полупроводниковых приборов, т.1, M.: Мир, 1984, с.178-179). Этот недостаток присущ также для преобразователей частоты на варакторах.

Известен полупроводниковый прибор (см. Иоффе В.М., Максутов А.И., патент РФ №2139599, заявка №96124161 от 18.01.96), выбранный в качестве аналога, содержащий низкопроводящий или изолирующий слой, на одной поверхности которого сформирован проводящий участок, на другой поверхности которого сформирован полупроводниковый слой 1 электронного либо дырочного типа проводимости с омическим контактом, на поверхности которого выполнен слой 2, выполненный из металла или (и) полупроводника с противоположным со слоем 1 типом проводимости, образующий с 1 р-n переход либо(и) барьер Шоттки с другим омическим контактом, выбор профиля легирования и толщины слоя 1, ограничен условием полного обеднения слоя 1 либо его части основными носителями заряда до пробоя р-n перехода либо барьера Шоттки при подаче на него внешнего смещения:

где Ui - напряжение пробоя полупроводникового слоя 1; у - координата, отсчитываемая от металлургической границы р-n перехода или барьера Шоттки в направлении вдоль толщины слоя 1; q - элементарный заряд; Ni(x,y,z) - профиль распределения примеси в слое 1, d(x,z) - толщина слоя 1; z, х - координаты на поверхности слоя 1; ε_s - диэлектрическая проницаемость слоя 1; Uk - встроенный потенциал. При изменении величины управляющего напряжения, поданного на омические контакты к р-n переходу (барьеру Шоттки), можно регулировать величину емкости конденсатора, образованного между омическим контактом к полупроводниковому слою и проводящим участком, выполненным на изолирующем слое.

Известна типичная конструкция полупроводникового перехода, выбранная в качестве прототипа, самостоятельно используемая как полупроводниковый прибор в качестве варактора (варикапа), выпрямительного или параметрического диодов, и входящая в состав других полупроводниковых приборов, в частности в ПМП (полупроводник-металл-полупроводник) транзисторов, биполярных гомо- и гетеропереходных транзисторов, содержащая полупроводник электронного либо дырочного типа проводимости с омическим контактом к нему, на поверхности которого выполнен слой металла или полупроводника с другим типом проводимости с другим омическим контактом, образующий полупроводниковый переход с означенным полупроводником (см. "Электроника". Энциклопедический словарь, Москва, Сов. Энциклопедия, 1991 год, стр.419-421, 53, 54, 415, 416, 558-559).

В основу настоящего изобретения поставлена задача создания полупроводникового, прибора, позволяющего при изменении величины управляющего напряжения, поданного на омические контакты к полупроводниковому переходу, регулировать величину емкости конденсатора, образованного между омическим контактом к полупроводниковому слою и проводящим участком, выполненным на изолирующем слое.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что полупроводниковый прибор, содержащий первый полупроводниковый слой электронного либо дырочного типа проводимости с омическим контактом к нему, на части поверхности которого сформирован второй полупроводниковый или металлический слой, образующий с первым полупроводниковым слоем полупроводниковый переход, с другим омическим контактом, на части внешней поверхности прибора сформирован изолирующий слой, на части внешней поверхности которого выполнен проводящий участок.

Кроме того, полупроводниковый прибор может отличаться тем, что на внешней поверхности второго слоя сформирован третий полупроводниковый слой с омическим контактом к нему одного с первым полупроводниковым слоем типа проводимости, образующий со вторым слоем другой полупроводниковый переход.

Кроме того, полупроводниковый прибор отличается тем, что на части внешней поверхности проводящего участка сформирован другой защитный изолирующий слой.

Кроме того, полупроводниковый прибор может отличаться тем, что на части внешней поверхности изолирующего слоя сформированы контактные площадки, соединенные с омическими контактами и проводящим участком. Кроме того, полупроводниковый прибор отличается тем, что на внешней поверхности прибора между контактными площадками сформирован другой защитный изолирующий слой.

То есть суть изобретения заключается в использование возможности изменения величин емкости между омическим контактом к первому слою и проводящим участком при помощи управляющего напряжения, поданного на омические контакты к полупроводниковому переходу.

Краткое описание чертежей и графиков

В последующем изобретение поясняется описанием примеров со ссылками на предлагаемые чертежи и графики, на которых:

фиг.1 изображает один из вариантов полупроводникового прибора;

фиг 2 - один из вариантов полупроводникового прибора,

фиг.3 - вариант полупроводникового прибора с транзисторной структурой;

фиг.4 - один из вариантов полупроводникового прибора с защитным изолирующим слоем и контактными площадками;

фиг.5 - схематичное устройство изготовленного прибора.

Для пояснения работы прибора обратимся к фиг.1, на которой представлен полупроводниковый прибор, содержащий первый полупроводниковый слой электронного либо дырочного типа проводимости 1 с омическим контактом 2 к нему, на части поверхности которого сформирован второй полупроводниковый или металлический слой 3 с другим омическим контактом 4, образующий с первым полупроводниковым слоем полупроводниковый переход. На части внешней поверхности описанной конструкции прибора сформирован изолирующий слой 5, на части внешней поверхности которого выполнен проводящий участок 6.

Работоспособность прибора очевидна: при приложении управляющего напряжения к омическим контактам полупроводникового перехода изменяется размер области нейтральности в полупроводнике 1 (штрихпунктирная линия А на фиг.1 - условная граница, отделяющая область нейтральности от области пространственного заряда (ОПЗ) в первом полупроводниковом слое. Вследствие чего изменяется величина емкости между областью нейтральности и проводящим участком и между контактом 2 и проводящим участком 6. То есть подавая напряжение на контакты 2, 4, можно изменять также величину емкости между контактом 2 и проводящим участком 6.

На фиг.2 приведен один из вариантов полупроводникового прибора, содержащий первый полупроводниковый слой электронного либо дырочного типа проводимости 1 с омическим контактом 2 к нему, на части поверхности которого сформирован второй полупроводниковый или металлический слой 3 с другим омическим контактом 4, образующий с первым полупроводниковым слоем полупроводниковый переход. На части внешней поверхности второго слоя 3 сформирован третий полупроводниковый слой 7 одного с первым полупроводниковым слоем типа проводимости с омическим контактом к нему 8, образующий со вторым слоем другой полупроводниковый переход. На части внешней поверхности описанной конструкции прибора сформирован изолирующий слой 5, на части внешней поверхности которого выполнен проводящий участок 6. Работоспособность прибора очевидна: при приложении управляющего напряжения к омическим контактам полупроводникового перехода изменяется размер области нейтральности в полупроводнике 1 (штрихпунктирная линия А на фиг.2 - условная граница, отделяющая область нейтральности от области пространственного заряда). Вследствие чего изменяется емкость между областью нейтральности и проводящим участком также между контактом 2 и проводящим участком 6. При соединении омических контактов 2 и 8 и при приложении управляющего напряжения к омическим контактам полупроводникового перехода изменяется размер области нейтральности в полупроводниках 1 и 7. Вследствие чего величина емкости между областями нейтральности и проводящим участком и между контактом 2 и проводящим участком 6 также меняется. Описанная конструкция позволяет расширить диапазон изменения управляемой емкости (емкости между контактом 2 и проводящим участком 6).

Если слой 3 имеет малую толщину и слои 1, 3 и 7 образуют транзисторную структуру, эквивалентную структурам ПМП транзисторам, или биполярным транзисторам с р-n или гетеро р-n переходами, то можно управлять величиной управляемой емкости относительно слабыми сигналами посредством их усиления в приборе.

На фиг.3 приведен один из вариантов полупроводникового прибора с транзисторной структурой, содержащий первый полупроводниковый слой электронного либо дырочного типа проводимости 1 с омическим контактом 2 к нему, на части поверхности которого сформирован второй полупроводниковый или металлический слой 3 с другим омическим контактом 4, образующий с первым полупроводниковым слоем полупроводниковый переход. На части внешней поверхности второго слоя 3 сформирован третий полупроводниковый слой 7 одного с первым полупроводниковым слоем типа проводимости с омическим контактом к нему 8, образующий со вторым слоем другой полупроводниковый переход. На части внешней поверхности описанной конструкции прибора сформирован изолирующий слой 5, на части внешней поверхности которого выполнен проводящий участок 6. На фиг.3 изображены также гармонический источник входного напряжения 9 (с амплитудой Е) с внутренним сопротивлением 10 (величиной R), включенный между контактами эмиттерного полупроводникового перехода 4 и 8, источник постоянного смещения 11 (с величиной запирающего напряжения U_о), соединенный с контактами коллекторного полупроводникового перехода 2 и 4 через сопротивление нагрузки 12 (величиной R_n). При запертом эмиттерном переходе напряжение на коллекторном переходе максимально и равно U_о. Поскольку в полупроводниках напряжение падает на области пространственного заряда, граница между ОПЗ и областью нейтральности в полупроводниковом слое 1 максимально смещена к контакту 2. По мере увеличения отпирающего входного напряжения до максимальной величины напряжение на коллекторном переходе падает до U_о-R_n E/R, что соответствует увеличению размера области нейтральности и уменьшению ОПЗ и, следовательно, увеличению величины управляемой емкости между контактом 2 и проводящим участком 6.

Очевидно, что работоспособность описанных приборов не нарушится, если на части проводящего участка сформировать другой изолирующий слой, защищающий прибор от пыли и от электрического пробоя по поверхности.

В настоящей заявке под изолирующим слоем понимается слой с изолирующими свойствами, сопротивление которого сравнимо с сопротивлением изолятора или изолирующего р-n перехода. Внутреннее устройство и форма изолирующего слоя могут быть произвольными. Под полупроводниковым переходом понимается область пространственного заряда в полупроводнике (ОПЗ), примыкающая к границе раздела между металлом и полупроводником, или между двумя полупроводниками (с различной величиной энергетических зон), или двумя областями в объеме одного полупроводника с различным типом электропроводности (см. "Электроника". Энциклопедический словарь, Москва, Сов, Энциклопедия, 1991 год, стр.419).

В микроэлектронике (и в настоящей заявке) часть контактов или проводящих частей полупроводниковых приборов, предназначенных для соединения с внешними цепями (нагрузками, источниками питания и так далее), называются контактными площадками. Контактные площадки в большинстве случаев формируют на изолирующем слое (SiO₂ в кремниевых полупроводниковых приборах). Вся поверхность полупроводниковых приборов с целью защиты от пыли и пробоев по поверхности за исключением контактных площадок закрывается изолирующим слоем(в большинстве случаев резистом или SiO₂).

На фиг.4 приведен полупроводниковый прибор, содержащий первый полупроводниковый слой электронного либо дырочного типа проводимости 1 с омическим контактом 2, соединенным с контактной площадкой 13, на части поверхности которого сформирован второй полупроводниковый или металлический слой 3 с другим омическим контактом 4, соединенным с контактной площадкой 14, образующий с первым полупроводниковым слоем полупроводниковый переход. На части внешней поверхности описанной конструкции прибора сформирован изолирующий слой 5, на части внешней поверхности которого выполнен проводящий участок 6, соединенный с контактной площадкой 15, причем в е контактные площадки сформированы на внешней поверхности слоя 5. На внешней поверхности описанной конструкции между контактными площадками сформирован другой защитный изолирующий слой 16.

Заметим, что работоспособность описанных полупроводниковых приборов не зависит от места расположения изолирующего слоя и проводящего участка на нем относительно других частей прибора, то есть относительно полупроводникового перехода с омическими контактами (или полупроводниковых переходов с омическими контактами). Очевидно, что изолирующий слой 5 не должен полностью закрывать омические контакты, поскольку в этом случае нельзя подключить прибор к внешним цепям. Однако расположение проводящего участка 6 нормально (перпендикулярно) плоскости металлургической границы полупроводникового перехода позволяет обеспечить максимальный диапазон изменения управляемой емкости. Заметим, что изолирующий слой может быть любой формы и иметь различную толщину вдоль поверхности (под контактными площадками, в частности, может иметь большую толщину).

Одним из преимуществ управляемой емкости является то, что в отличие от других полупроводниковых приборов снимается так называемое электронное ограничение по мощности, связанное с электрическим пробоем полупроводника и ограничениями, налагаемыми на размер рабочей области полупроводникового прибора величиной скорости перемещения подвижных носителей заряда (с управляемой емкости можно снимать большие мощности, в том числе и на больших частотах при параметрическом усилении генерации и преобразовании частоты). Однако чтобы на практике воспользоваться этим, следует учитывать, что параллельно управляемой емкости всегда включен полупроводниковый переход, последовательно соединенный с емкостью, образованной между 6 и 3. Для уменьшения напряжения на полупроводниковом переходе следует параллельно ему включать емкость большого номинала или (и) увеличивать толщину изолирующего слоя.

Примеры осуществления изобретения.

На n-типа подложке 1 с концентрацией примесей 10¹⁶ см^-3 был сформирован полупроводниковый р-типа слой 3 с концентрацией примесей 5·10¹⁹ см^-3, толщиной 0,2 мкм. Были выполнены омические контакты к р- и n-областям. На поверхности слоя 3 был посредством термического окисления сформирован слой 5 из двуокиси кремния толщиной 0,1 мкм. На поверхности двуокиси кремния на площади 0,1 см² был сформирован из алюминия проводящий участок 6. Схематическое изображение полученного устройства приведено на фиг.5, на которой 1 - n-типа слой, 3 - слой р-типа, 6 - проводящий участок, изолирующий слой из двуокиси кремния - 5, 4 - омический контакт к слою 3, 2 - омический контакт к слою 1. Было произведено измерение величины управляемой емкости между контактом 2 и проводящим участком 6. При изменении запирающего напряжения между контактами 2 и 4 от 0 до 10 В величина управляемой емкости изменялась от 950 до 300 πФ.

Изобретение позволяет создать безынерционные конденсаторы переменной емкости.

Промышленная применимость

Изобретение может быть использовано в электронной промышленности.

Использование в микроэлектронике. Сущность изобретения: полупроводниковый прибор содержит первый полупроводниковый слой электронного либо дырочного типа проводимости с омическим контактом к нему, на части поверхности которого сформирован второй полупроводниковый или металлический слой, образующий с первым полупроводниковым слоем полупроводниковый переход, с другим омическим контактом, на части внешней поверхности прибора сформирован изолирующий слой, на части внешней поверхности которого выполнен проводящий участок. Техническим результатом изобретения является создание полупроводникового прибора, позволяющего при изменении величины управляющего напряжения, поданного на омические контакты к полупроводниковому переходу, регулировать величину емкости конденсатора, образованного между омическим контактом к полупроводниковому слою и проводящим участком, выполненным на изолирующем слое. 7 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Полупроводниковый прибор, содержащий первый полупроводниковый слой электронного либо дырочного типа проводимости с омическим контактом к нему, на части поверхности которого сформирован второй полупроводниковый или металлический слой, образующий с первым полупроводниковым слоем полупроводниковый переход, с другим омическим контактом, отличающийся тем, что на части внешней поверхности прибора сформирован изолирующий слой, на части внешней поверхности которого выполнен проводящий участок.2. Полупроводниковый прибор по п.1, отличающийся тем, что на внешней поверхности второго слоя сформирован третий полупроводниковый слой с омическим контактом к нему одного с первым полупроводниковым слоем типа проводимости, образующий со вторым слоем другой полупроводниковый переход.3. Полупроводниковый прибор по п.1, отличающийся тем, что на части внешней поверхности проводящего участка сформирован другой изолирующий слой.4. Полупроводниковый прибор по п.2, отличающийся тем, что на части внешней поверхности проводящего участка сформирован другой изолирующий слой.5. Полупроводниковый прибор по п.1, отличающийся тем, что на части внешней поверхности изолирующего слоя сформированы контактные площадки, соединенные с омическими контактами и проводящим участком.6. Полупроводниковый прибор по п.2, отличающийся тем, что на части внешней поверхности изолирующего слоя сформированы контактные площадки, соединенные с омическими контактами и проводящим участком.7. Полупроводниковый прибор по п.3, отличающийся тем, что на внешней поверхности прибора между контактными площадками сформирован другой защитный изолирующий слой.8. Полупроводниковый прибор по п.4, отличающийся тем, что на внешней поверхности прибора между контактными площадками сформирован другой защитный изолирующий слой.